DE102019214155A1 - POWER CONVERTER - Google Patents
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Abstract
Ein Hybridleistungswandler und ein Verfahren mit geringen Leistungsverlusten über einen erweiterten Wandlungsbereich werden vorgestellt. Der Wandler behält geringe Umwandlungsverluste, die mit reduzierten Induktorwelligkeiten assoziiert sind, nicht nur für ein einzelnes Umwandlungsverhältnis, sondern über einen weiten Bereich von Umwandlungsverhältnissen. Der Leistungswandler hat einen Masseanschluss, einen Eingangsanschluss zum Empfangen einer Eingangsspannung und einen Ausgangsanschluss zum Vorsehen einer Ausgangsspannung mit einem Sollumwandlungsverhältnis. Der Leistungswandler hat einen Induktor; einen ersten fliegenden Kondensator, der selektiv mit dem Induktor gekoppelt ist; einen zweiten fliegenden Kondensator, der selektiv mit dem Induktor gekoppelt ist; ein Netzwerk von Schaltern; und einen Treiber, der ausgebildet ist, um den Wandler in einem ersten Modus zu betreiben, der mit einem ersten Bereich von Umwandlungsverhältnissen assoziiert ist.A hybrid power converter and a method with low power losses over an extended conversion range are presented. The converter maintains low conversion losses associated with reduced inductor ripples, not just for a single conversion ratio, but over a wide range of conversion ratios. The power converter has a ground terminal, an input terminal for receiving an input voltage, and an output terminal for providing an output voltage with a target conversion ratio. The power converter has an inductor; a first flying capacitor selectively coupled to the inductor; a second flying capacitor selectively coupled to the inductor; a network of switches; and a driver configured to operate the converter in a first mode associated with a first range of conversion ratios.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Leistungswandler und ein Verfahren zum Betreiben desselben. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung einen Hybridleistungswandler mit geringen Leistungsverlusten über einen erweiterten Umwandlungsbereich.The present disclosure relates to a power converter and a method of operating the same. In particular, the present disclosure relates to a hybrid power converter with low power losses over an extended conversion range.
Hintergrundbackground
In den letzten Jahren haben tragbare Computervorrichtungen, wie Smartphones, Tablets und Notebooks, ihre Rechenleistung, Bildschirmauflösung und Anzeigerahmenrate erhöht. Diese Fortschritte wurden ermöglicht, indem sich eine Siliziumtechnologie im Submikrometerbereich 10nm und darunter nähert und die Bildung von ultraschmalen Gate-Strukturen ermöglicht. Ultraschmale Gate-Strukturen haben einen erhöhten Leckstrom für jeden Transistor.In recent years, portable computing devices such as smartphones, tablets and notebooks have increased their computing power, screen resolution and display frame rate. These advances have been made possible by submicron silicon technology approaching 10nm and below, enabling the formation of ultra-narrow gate structures. Ultra-narrow gate structures have an increased leakage current for each transistor.
Angesichts der Tatsache, dass zentrale Verarbeitungseinheiten (CPUs - central processing units) und Grafikverarbeitungseinheiten (GPUs - graphical processing units) aus mehreren hundert Millionen Transistoren bestehen, ist der Leckstrom eines modernen Mikroprozessors erheblich. Um einen Batterieverbrauch zu senken, werden die eingebetteten Rechenkerne typischerweise so oft wie möglich von der Leistungsversorgung getrennt. Infolgedessen wird die erforderliche Rechenleistung innerhalb kurzer Betriebs-„Bursts“ vorgesehen. Daher wird das Leistungsprofil einer modernen mobilen Computervorrichtung von relativ langen Perioden von Standby-Strömen in dem mA-Bereich dominiert, die durch Pulse von hohen Spitzenströmen (in dem Bereich von 20 A und höher) unterbrochen werden. Die Herausforderung für eine Leistungsverwaltungseinheit besteht in der Bereitstellung von niedrigen Strömen bei hoher Umwandlungseffizienz zur Optimierung der Batterielebensdauer, kombiniert mit der Bereitstellung von hohen Strömen ohne Sättigungseffekte und bei einer stabilen Ausgangsspannung.Given that central processing units (CPUs) and graphics processing units (GPUs) consist of several hundred million transistors, the leakage current of a modern microprocessor is significant. In order to reduce battery consumption, the embedded computing cores are typically disconnected from the power supply as often as possible. As a result, the required computing power is provided within short operating “bursts”. Thus, the performance profile of a modern mobile computing device is dominated by relatively long periods of standby currents in the mA range, which are interrupted by pulses of high peak currents (in the range of 20 A and higher). The challenge for a power management unit is to provide low currents with high conversion efficiency to optimize battery life, combined with the provision of high currents without saturation effects and with a stable output voltage.
Smartphones und Tablet-Computer werden typischerweise mit einem Li-Ion-Batterie-Pack mit einer Nennausgangsspannung von 3,6V betrieben. Die in Siliziumtechnologie hergestellten CPUs und GPUs mit Gate-Längen von 10nm und weniger benötigen eine Versorgungsspannung von ungefähr 0,9V. Der entsprechende Spannungsabwärtswandler muss seine Effizienz um ein typisches Vout/Vin-Umwandlungsverhältnis von 0,9V/3,6V = 0,25V optimieren.Smartphones and tablet computers are typically operated with a Li-Ion battery pack with a nominal output voltage of 3.6V. The CPUs and GPUs manufactured in silicon technology with gate lengths of 10 nm and less require a supply voltage of around 0.9V. The corresponding voltage step-down converter must optimize its efficiency by a typical V out / V in conversion ratio of 0.9V / 3.6V = 0.25V.
Herkömmliche zweistufige und dreistufige Abwärts-Wandler sind durch signifikante Umwandlungsverluste begrenzt, die sich über einen weiten Bereich von Umwandlungsverhältnissen erstrecken. Die Batteriespannung einer typischen Li-lon-Batteriezelle kann im Laufe ihres Gebrauchs von 4,2V auf 2,5V abfallen. Es besteht daher ein Bedarf für einen Wandler, der geringe Umwandlungsverluste, die mit reduzierten Induktorwelligkeiten assoziiert sind, nicht nur für ein einziges Umwandlungsverhältnis, sondern über einen weiten Bereich von Umwandlungsverhältnissen beibehalten kann.Conventional two-stage and three-stage buck converters are limited by significant conversion losses spanning a wide range of conversion ratios. The battery voltage of a typical Li-ion battery cell can drop from 4.2V to 2.5V in the course of its use. There is, therefore, a need for a converter that can maintain low conversion losses associated with reduced inductor ripples, not just for a single conversion ratio, but over a wide range of conversion ratios.
ZusammenfassungSummary
Gemäß einem ersten Aspekt der Offenbarung wird ein Leistungswandler vorgesehen, der einen Masseanschluss, einen Eingangsanschluss zum Empfangen einer Eingangsspannung und einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung mit einem Sollumwandlungsverhältnis aufweist, wobei der Leistungswandler aufweist einen Induktor; einen ersten fliegenden Kondensator, der selektiv mit dem Induktor gekoppelt ist; einen zweiten fliegenden Kondensator, der selektiv mit dem Induktor gekoppelt ist; ein Netzwerk von Schaltern; und einen Treiber, der ausgebildet ist zum Betreiben des Wandlers in einem ersten Modus, der mit einem ersten Bereich von Umwandlungsverhältnissen assoziiert ist; wobei in dem ersten Modus der Treiber konfiguriert ist zum Ansteuern des Netzwerks von Schaltern mit einer ersten Sequenz von Zuständen während einer Ansteuerperiode, wobei die erste Sequenz von Zuständen einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand aufweist, wobei in dem ersten Zustand einer des Eingangsanschlusses und des Masseanschlusses über einen ersten Pfad, der den zweiten fliegenden Kondensator aufweist und der den Induktor umgeht, mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist und wobei der Masseanschluss über einen zweiten Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist; wobei in dem zweiten Zustand der Masseanschluss über einen dritten Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator, den zweiten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist.According to a first aspect of the disclosure, there is provided a power converter having a ground terminal, an input terminal for receiving an input voltage, and an output terminal for providing an output voltage with a target conversion ratio, the power converter having an inductor; a first flying capacitor selectively coupled to the inductor; a second flying capacitor selectively coupled to the inductor; a network of switches; and a driver configured to operate the converter in a first mode associated with a first range of conversion ratios; wherein in the first mode the driver is configured to drive the network of switches with a first sequence of states during a drive period, the first sequence of states having a first state and a second state, wherein in the first state one of the input terminal and the The ground terminal is coupled to the output terminal via a first path including the second flying capacitor and bypassing the inductor, and wherein the ground terminal is coupled to the output terminal via a second path including the first flying capacitor and the inductor; wherein in the second state the ground connection is coupled to the output connection via a third path comprising the first flying capacitor, the second flying capacitor and the inductor.
Zum Beispiel kann der erste Bereich von Umwandlungsverhältnissen Vout/Vin ≤ 1/3 sein.For example, the first range of conversion ratios may be Vout /
Optional ist der Treiber ausgebildet zum Betreiben des Wandlers in einem zweiten Modus, der mit einem zweiten Bereich von Umwandlungsverhältnissen assoziiert ist; wobei in dem zweiten Modus der Treiber konfiguriert ist zum Ansteuern des Netzwerks von Schaltern mit einer zweiten Sequenz von Zuständen, wobei die zweite Sequenz von Zuständen den ersten Zustand, den zweiten Zustand und einen dritten Zustand aufweist, wobei in dem dritten Zustand der Eingangsanschluss über einen Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator aufweist, mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist und wobei der Masseanschluss über einen Pfad, der den zweiten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist.Optionally, the driver is configured to operate the converter in a second mode that is associated with a second range of conversion ratios; wherein in the second mode the driver is configured to control the network of switches with a second sequence of states, wherein the second sequence of states has the first state, the second state and a third state, wherein in the third state the input terminal has a Path that has the first flying capacitor with the The output terminal is coupled and wherein the ground terminal is coupled to the output terminal via a path comprising the second flying capacitor and the inductor.
Optional ist in dem dritten Zustand der Eingangsanschluss über einen Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt.Optionally, in the third state, the input terminal is coupled to the output terminal via a path that has the first flying capacitor and the inductor.
Zum Beispiel kann der zweite Bereich von Umwandlungsverhältnissen 1/3 < Vout/Vin < 1/2 sein. Die Zustände in der zweiten Sequenz von Zuständen können in einer bestimmten Reihenfolge vorgesehen werden, zum Beispiel: erster Zustand/ zweiter Zustand/ dritter Zustand/ erster Zustand.For example, the second range of conversion ratios can be 1/3 <Vout / Vin <1/2. The states in the second sequence of states can be provided in a certain order, for example: first state / second state / third state / first state.
Optional ist der Treiber ausgebildet zum Betreiben des Wandlers in einem dritten Modus, der mit einem dritten Bereich von Umwandlungsverhältnissen assoziiert ist; wobei in dem dritten Modus der Treiber konfiguriert ist zum Ansteuern des Netzwerks von Schaltern mit einer dritten Sequenz von Zuständen, wobei die dritte Sequenz von Zuständen den ersten Zustand und den dritten Zustand aufweist.Optionally, the driver is configured to operate the converter in a third mode that is associated with a third range of conversion ratios; wherein in the third mode the driver is configured to control the network of switches with a third sequence of states, the third sequence of states having the first state and the third state.
Zum Beispiel kann der dritte Bereich von Umwandlungsverhältnissen Vout/Vin ≥ 1/2 sein.For example, the third range of conversion ratios Vout /
Optional weist die erste Sequenz einen Entmagnetisierungszustand auf, in dem der Masseanschluss über einen den Induktor aufweisenden Entmagnetisierungspfad mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist. Zusätzlich kann in dem Entmagnetisierungszustand der Eingangsanschluss über den ersten Pfad mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt sein. Optionally, the first sequence has a demagnetization state in which the ground connection is coupled to the output connection via a demagnetization path having the inductor. In addition, in the demagnetization state, the input connection can be coupled to the output connection via the first path.
Die Zustände in der ersten Sequenz können in einer bestimmten Reihenfolge vorgesehen werden, zum Beispiel: erster Zustand/ Entmagnetisierungszustand/ zweiter Zustand/ Entmagnetisierungszustand.The states in the first sequence can be provided in a certain order, for example: first state / demagnetization state / second state / demagnetization state.
Optional weist die dritte Sequenz einen Magnetisierungszustand auf, in dem der Eingangsanschluss über einen den Induktor aufweisenden Magnetisierungspfad mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist. Zusätzlich kann in dem Magnetisierungszustand der Eingangsanschluss über den ersten Pfad mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt sein.Optionally, the third sequence has a magnetization state in which the input connection is coupled to the output connection via a magnetization path having the inductor. In addition, in the magnetization state, the input connection can be coupled to the output connection via the first path.
Die Zustände in der dritten Sequenz können in einer bestimmten Reihenfolge vorgesehen werden, zum Beispiel: erster Zustand/ Magnetisierungszustand/ dritter Zustand/ Magnetisierungszustand.The states in the third sequence can be provided in a certain order, for example: first state / magnetization state / third state / magnetization state.
Optional ist der Treiber ausgebildet zum Ändern einer ersten Dauer des ersten Zustands, einer zweiten Dauer des zweiten Zustands und einer dritten Dauer des dritten Zustands basierend auf dem Sollumwandlungsverhältnis.Optionally, the driver is designed to change a first duration of the first state, a second duration of the second state and a third duration of the third state based on the target conversion ratio.
Optional ist der Treiber ausgebildet zum Ändern einer Dauer des Magnetisierungszustands basierend auf dem Sollumwandlungsverhältnis.Optionally, the driver is designed to change a duration of the magnetization state based on the target conversion ratio.
Optional ist der Treiber ausgebildet zum Ändern einer Dauer des Entmagnetisierungszustands basierend auf dem Sollumwandlungsverhältnis.Optionally, the driver is configured to change a duration of the demagnetization state based on the target conversion ratio.
Optional weist das Netzwerk von Schaltern auf einen ersten Eingangsschalter, der mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist; einen zweiten Eingangsschalter zum Koppeln des ersten fliegenden Kondensators mit dem Eingangsanschluss über den ersten Eingangsschalter; einen ersten Masseschalter zum Koppeln des ersten fliegenden Kondensators mit Masse; und einen zweiten Masseschalter zum Koppeln des zweiten fliegenden Kondensators mit Masse; wobei der Induktor einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss hat, wobei der zweite Anschluss mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist.Optionally, the network of switches includes a first input switch coupled to the input port; a second input switch for coupling the first flying capacitor to the input terminal via the first input switch; a first ground switch for coupling the first flying capacitor to ground; and a second ground switch for coupling the second flying capacitor to ground; wherein the inductor has a first terminal and a second terminal, the second terminal being coupled to the output terminal.
Optional hat jeder des ersten fliegenden Kondensators und des zweiten fliegenden Kondensators einen ersten Anschluss, der selektiv mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der selektiv mit Masse gekoppelt ist; wobei das Netzwerk von Schaltern einen ersten Kondensatorschalter aufweist, der mit dem ersten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators gekoppelt ist; einen zweiten Kondensatorschalter, der mit dem zweiten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators gekoppelt ist; und einen vierten Kondensatorschalter, der mit dem zweiten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators gekoppelt ist.Optionally, each of the first flying capacitor and the second flying capacitor has a first terminal selectively coupled to the input terminal and a second terminal selectively coupled to ground; wherein the network of switches includes a first capacitor switch coupled to the first terminal of the first flying capacitor; a second capacitor switch coupled to the second terminal of the first flying capacitor; and a fourth capacitor switch coupled to the second terminal of the second flying capacitor.
Optional ist der erste Anschluss des Induktors über den zweiten Kondensatorschalter mit dem ersten fliegenden Kondensator und über den vierten Kondensatorschalter mit dem zweiten fliegenden Kondensator gekoppelt; und wobei der erste Kondensatorschalter mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist.Optionally, the first connection of the inductor is coupled to the first flying capacitor via the second capacitor switch and to the second flying capacitor via the fourth capacitor switch; and wherein the first capacitor switch is coupled to the output terminal.
Optional weist das Netzwerk von Schaltern einen dritten Kondensatorschalter auf, der mit dem ersten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators gekoppelt ist.Optionally, the network of switches has a third capacitor switch that is coupled to the first terminal of the second flying capacitor.
Optional weist das Netzwerk von Schaltern einen dritten Eingangsschalter auf, um den zweiten fliegenden Kondensator über den ersten Eingangsschalter mit dem Eingangsanschluss zu koppeln.Optionally, the network of switches has a third input switch in order to couple the second flying capacitor to the input terminal via the first input switch.
Optional ist der erste Anschluss des Induktors über den ersten Kondensatorschalter und den zweiten Kondensatorschalter mit dem ersten fliegenden Kondensator gekoppelt; wobei der erste Anschluss des Induktors über den dritten Kondensatorschalter mit dem zweiten fliegenden Kondensator gekoppelt ist; und wobei der vierte Kondensatorschalter mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist.Optionally, the first connection of the inductor is coupled to the first flying capacitor via the first capacitor switch and the second capacitor switch; where the first port the inductor is coupled to the second flying capacitor via the third capacitor switch; and wherein the fourth capacitor switch is coupled to the output terminal.
Optional ist der erste fliegende Kondensator über einen Ausgangsschalter mit dem zweiten Anschluss des Induktors gekoppelt.Optionally, the first flying capacitor is coupled to the second connection of the inductor via an output switch.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Offenbarung ist ein Verfahren zum Umwandeln einer an einem Eingangsanschluss vorgesehenen Eingangsspannung in eine an einem Ausgangsanschluss vorgesehenen Ausgangsspannung vorgesehen, wobei das Verfahren aufweist: Vorsehen eines Induktors; Vorsehen eines ersten fliegenden Kondensators, der selektiv mit dem Induktor gekoppelt ist; Vorsehen eines zweiten fliegenden Kondensators, der selektiv mit dem Induktor gekoppelt ist; Vorsehen eines Netzwerks von Schaltern; Betreiben des Wandlers in einem ersten Modus, der mit einem ersten Bereich von Umwandlungsverhältnissen assoziiert ist, durch Ansteuern des Netzwerks von Schaltern mit einer ersten Sequenz von Zuständen während einer Ansteuerperiode, wobei die erste Sequenz von Zuständen einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand aufweist, wobei in dem ersten Zustand einer des Eingangsanschlusses und des Masseanschlusses über einen ersten Pfad, der den zweiten fliegenden Kondensator aufweist und der den Induktor umgeht, mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist und wobei der verbleibende Anschluss aus dem Eingangsanschluss und dem Masseanschluss über einen zweiten Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist; wobei in dem zweiten Zustand der Masseanschluss über einen dritten Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator, den zweiten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist.According to a second aspect of the disclosure, there is provided a method for converting an input voltage provided at an input terminal into an output voltage provided at an output terminal, the method comprising: providing an inductor; Providing a first flying capacitor selectively coupled to the inductor; Providing a second flying capacitor selectively coupled to the inductor; Providing a network of switches; Operating the converter in a first mode associated with a first range of conversion ratios by driving the network of switches with a first sequence of states during a driving period, the first sequence of states having a first state and a second state, wherein in the first state one of the input terminal and the ground terminal is coupled to the output terminal via a first path which has the second flying capacitor and which bypasses the inductor, and wherein the remaining terminal of the input terminal and the ground terminal via a second path which the the first flying capacitor and the inductor coupled to the output terminal; wherein in the second state the ground connection is coupled to the output connection via a third path comprising the first flying capacitor, the second flying capacitor and the inductor.
Optional weist die erste Sequenz einen Entmagnetisierungszustand auf, in dem der Masseanschluss über einen den Induktor aufweisenden Entmagnetisierungspfad mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist.Optionally, the first sequence has a demagnetization state in which the ground connection is coupled to the output connection via a demagnetization path having the inductor.
Optional weist das Verfahren ein Betreiben des Wandlers in einem zweiten Modus auf, der mit einem zweiten Bereich von Umwandlungsverhältnissen assoziiert ist, durch Ansteuern des Netzwerks von Schaltern mit einer zweiten Sequenz von Zuständen, wobei die zweite Sequenz von Zuständen den ersten Zustand, den zweiten Zustand und einen dritten Zustand aufweist, wobei in dem dritten Zustand der Eingangsanschluss über einen Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator aufweist, mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist und wobei der Masseanschluss über einen Pfad, der den zweiten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist.Optionally, the method includes operating the converter in a second mode associated with a second range of conversion ratios by actuating the network of switches with a second sequence of states, the second sequence of states being the first state, the second state and a third state, wherein in the third state the input terminal is coupled to the output terminal via a path including the first flying capacitor, and wherein the ground terminal is coupled to the output terminal via a path including the second flying capacitor and the inductor is coupled.
Optional ist in dem dritten Zustand der Eingangsanschluss über einen Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt.Optionally, in the third state, the input terminal is coupled to the output terminal via a path that has the first flying capacitor and the inductor.
Optional weist das Verfahren ein Betreiben des Wandlers in einem dritten Modus auf, der mit einem dritten Bereich von Umwandlungsverhältnissen assoziiert ist, durch Ansteuern des Netzwerks von Schaltern mit einer dritten Sequenz von Zuständen, wobei die dritte Sequenz von Zuständen den ersten Zustand und den dritten Zustand aufweist.Optionally, the method includes operating the converter in a third mode associated with a third range of conversion ratios by driving the network of switches with a third sequence of states, the third sequence of states being the first state and the third state having.
Optional weist die dritte Sequenz einen Magnetisierungszustand auf, in dem der Eingangsanschluss über einen den Induktor aufweisenden Magnetisierungspfad mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist.Optionally, the third sequence has a magnetization state in which the input connection is coupled to the output connection via a magnetization path having the inductor.
Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Offenbarung beschriebenen Optionen sind auch dem zweiten Aspekt der Offenbarung gemeinsam.The options described in relation to the first aspect of the disclosure are also common to the second aspect of the disclosure.
Beschreibungdescription
Die Offenbarung wird im Folgenden auf beispielhafte Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben, in denen:
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1A ein Diagramm eines zweistufigen Abwärts-Wandlers ist; -
1B ein Diagramm eines dreistufigen Abwärts-Wandlers ist; -
1C eine Simulation der Induktorstromwelligkeit der Wandler der1A und1B als eine Funktion eines Umwandlungsverhältnisses ist; -
2 ein Diagramm eines DC-DC-Wandlers gemäß der Offenbarung ist; -
3A ein Diagramm des DC-DC-Wandlers von2 ist, der in einem ersten Zustand betrieben wird; -
3B ein Diagramm des DC-DC-Wandlers von2 ist, der in einem zweiten Zustand betrieben wird; -
3C ein Diagramm des DC-DC-Wandlers von2 ist, der in einem Zwischenmagnetisierungszustand betrieben wird; -
3D ein Diagramm des DC-DC-Wandlers von2 ist, der in einem Zwischenentmagnetisierungszustand betrieben wird; -
3E ein Diagramm des DC-DC-Wandlers von2 ist, der in einem anderen Zustand betrieben wird; -
4 eine beispielhafte Ansteuersequenz zum Betreiben des DC-DC-Wandlers von2 ist; -
5 ein Diagramm eines anderen DC-DC-Wandlers gemäß der Offenbarung ist; -
6 ein Diagramm des DC-DC-Wandlers von5 ist, der in einem Zwischenzustand betrieben wird; -
7 ein Diagramm eines weiteren DC-DC-Wandlers gemäß der Offenbarung ist; -
8 eine Simulation der Induktorstromwelligkeit der Wandler der1A ,1B und2 als eine Funktion des Umwandlungsverhältnisses ist; -
9 eine Simulation des Induktorkernleistungsverlustes der Wandler der1A ,1B und2 als eine Funktion des Umwandlungsverhältnisses ist;
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1A Figure 3 is a diagram of a two stage buck converter; -
1B Figure 3 is a diagram of a three stage buck converter; -
1C a simulation of the inductor current ripple of the converter1A and1B as a function of a conversion ratio; -
2 Figure 3 is a diagram of a DC-DC converter in accordance with the disclosure; -
3A a diagram of the DC-DC converter of2 is operated in a first state; -
3B a diagram of the DC-DC converter of2 is operated in a second state; -
3C a diagram of the DC-DC converter of2 is operated in an intermediate magnetization state; -
3D a diagram of the DC-DC converter of2 which operates in an intermediate demagnetization state; -
3E a diagram of the DC-DC converter of2 is operated in a different state; -
4th an exemplary control sequence for operating the DC-DC converter from2 is; -
5 Figure 12 is a diagram of another DC-DC converter in accordance with the disclosure; -
6 a diagram of the DC-DC converter of5 is operated in an intermediate state; -
7th Figure 12 is a diagram of another DC-DC converter in accordance with the disclosure; -
8th a simulation of the inductor current ripple of theconverter 1A ,1B and2 is as a function of the conversion ratio; -
9 a simulation of the inductor core power loss of the converters of the1A ,1B and2 is as a function of the conversion ratio;
Die
Die normalisierte Induktorstromwelligkeit
Der erste fliegende Kondensator C1 ist über den Schalter S4 mit Masse und über die Schalter S1 und S9 mit dem Eingangsknoten
Die Topologie des Wandlers
Der DC-DC-Wandler kann in drei Modi betrieben werden, die als erster, zweiter und dritter Modus bezeichnet werden und drei verschiedenen Bereichen von Umwandlungsverhältnissen entsprechen. Der erste Modus entspricht einem Umwandlungsverhältnisbereich von
Der Treiber
Für jeden Betriebsmodus kann der Treiber eine bestimmte Sequenz von Zuständen auswählen. In dem ersten Modus, der mit einem Umwandlungsverhältnis
In dem zweiten Betriebsmodus, der mit dem Umwandlungsverhältnis in dem Bereich von
In dem dritten Betriebsmodus, der mit dem Umwandlungsverhältnis
Die Spannung über dem fliegenden Kondensator C1 ist VC1 ~ Vout. Zum kontinuierlichen Schalten und um die Volt x Sekunden-Balance über dem Induktor L zu erfüllen, muss die Dauer des Schaltzustands TB länger als TA sein. Für einen ausgeglichenen Durchschnittsstrom durch beide Schaltphasen (C1 und C2) ist das Dauerverhältnis TB/TA 2:1. Für ein Umwandlungsverhältnis
In diesem Ausführungsbeispiel ist ein weiterer Schalter S10 vorgesehen. Der Schalter S10 hat einen ersten Anschluss, der mit dem ersten fliegenden Kondensator an dem Knoten
In dem dritten Betriebsmodus, der mit dem Umwandlungsverhältnis
Der erste fliegende Kondensator C1 ist über den Schalter S4 mit Masse und über die Schalter S1 und S9 mit dem Eingangsknoten
The first flying capacitor C1 is connected to ground via switch S4 and to the input node via switches S1 and
Der Wandler
Die in Bezug auf die
Für ein Umwandlungsverhältnis Vout/Vin > 0,5 ist die Frequenz der Induktorstromwelligkeit eines dreistufigen Abwärts-Wandlers und des Wandlers der Offenbarung ungefähr das Doppelte der Frequenz des zweistufigen Abwärts-Wandlers. Die Induktorstromwelligkeit ist das Doppelte der Frequenz des zweistufigen Abwärts-Wandlers unter Vout/Vin = 0,5 für den dreistufigen Abwärts-Wandler und unter Vout/Vin = 0,33 für die Wandlertopologie der Erfindung.
For a conversion ratio V out / V in > 0.5, the frequency of the inductor current ripple of a three-stage buck converter and the converter of the disclosure is approximately twice the frequency of the two-stage buck converter. The inductor current ripple is twice the frequency of the two-stage buck converter below V out / V in = 0.5 for the three-stage buck converter and below V out / V in = 0.33 for the converter topology of the invention.
In einem erweiterten Umwandlungsbereich von Vout/Vin > 0,25 bis Vout/Vin > 0,5 ist der normalisierte Induktorkernverlust
Für Fachleute ist offensichtlich, dass Variationen der offenbarten Anordnungen möglich sind, ohne von der Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel können die fliegenden Kondensatoren als einzelne oder mehrere Kondensatoren implementiert sein, die in Serie und/oder parallel verbunden sind. Alternativ kann ein Kondensatornetzwerk verwendet werden. Ein solches Kondensatornetzwerk kann die Konfiguration während des Betriebs des Wandlers ändern. Dementsprechend ist die obige Beschreibung des spezifischen Ausführungsbeispiels nur beispielhaft und nicht zum Zwecke der Beschränkung. Für Fachleute ist offensichtlich, dass geringfügige Modifikationen vorgenommen werden können, ohne dass der beschriebene Betrieb wesentlich geändert wird.It will be apparent to those skilled in the art that variations of the disclosed arrangements are possible without departing from the disclosure. For example, the flying capacitors can be implemented as single or multiple capacitors connected in series and / or in parallel. Alternatively, a capacitor network can be used. Such a capacitor network can change the configuration during operation of the converter. Accordingly, the above description of the specific embodiment is exemplary only and not for purposes of limitation. It will be apparent to those skilled in the art that minor modifications can be made without materially changing the operation described.
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